[發(fā)明專利]基于互補(bǔ)極化磁隧道結(jié)的非易失SRAM存儲(chǔ)單元及其應(yīng)用方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710982907.6
• 申請(qǐng)日: 2017-10-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107657981A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙振宇;李歡;唐皓月;曲連華;王耀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G11C11/417
• 分類號(hào): G11C11/417;H01L27/22
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙)43008
• 代理人: 譚武藝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)單元，具體涉及一種基于互補(bǔ)極化磁隧道結(jié)的非易失SRAM存儲(chǔ)單元及其應(yīng)用方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的高性能微處理器中，緩存是一個(gè)基于SRAM的電路，SRAM憑借其高讀寫(xiě)速度和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在緩存方面的應(yīng)用一直占據(jù)了有力的地位。如圖1所示，SRAM單元采用兩個(gè)交叉耦合的反相器用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以L、R來(lái)表示；字線（WL：word line）為選擇存儲(chǔ)陣列中某一行單元的控制信號(hào)，當(dāng)WL為高電平時(shí)，傳輸管N3、N4打開(kāi)，對(duì)單元進(jìn)行讀、寫(xiě)操作；位線（BL：bit line、N_BL）為選擇存儲(chǔ)陣列中某一列單元的控制信號(hào)，通過(guò)BL、N_BL信號(hào)對(duì)單元進(jìn)行讀、寫(xiě)操作。SRAM單元的MOS管數(shù)目少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，讀寫(xiě)操作簡(jiǎn)單，但是作為易失性存儲(chǔ)器，SRAM在斷電的情況下數(shù)據(jù)會(huì)丟失，為了保存數(shù)據(jù)，就必須對(duì)其持續(xù)供電。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失存儲(chǔ)，當(dāng)前最引起廣泛關(guān)注的是利用非易失性存儲(chǔ)器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的易失性存儲(chǔ)器。

作為眾多非易失性存儲(chǔ)器的一種，自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（STT-MRAM）憑借其較好的讀寫(xiě)性能、較長(zhǎng)的耐用性和能與CMOS工藝兼容等特性，成為替代SRAM用于緩存的不二之選。STT-MRAM的核心器件是磁隧道結(jié)（MTJ），即利用磁性材料相對(duì)磁化方向的不同來(lái)表示高、低組態(tài)，以此表示數(shù)據(jù)的存“0”、存“1”。磁隧道結(jié)又分為兩端磁隧道結(jié)和互補(bǔ)極化磁隧道結(jié)（CPMTJ），不同于MTJ是一個(gè)自由層和一個(gè)固定層，CPMTJ是兩個(gè)固定層共享一個(gè)自由層，以此實(shí)現(xiàn)自參考，解決寫(xiě)非對(duì)稱性問(wèn)題，降低寫(xiě)功耗。

如圖2所示，磁隧道結(jié)（MTJ：Magnetic Tunnel Junction）為“三明治”結(jié)構(gòu)，由“鐵磁層-絕緣層-鐵磁層”組成的三層結(jié)構(gòu)，其中，兩端的鐵磁層都具有磁性，磁化方向固定不變的稱為固定層，磁化方向隨電流可以發(fā)生改變的稱為自由層，當(dāng)自由層和固定層的磁化方向相同時(shí)，MTJ表現(xiàn)成低阻態(tài)；當(dāng)自由層和固定層磁化方向相反時(shí)，MTJ表現(xiàn)成高阻態(tài)。MTJ的高、低阻態(tài)分別可用來(lái)表示數(shù)據(jù)的存“0”、存“1”。

目前已有的STT-MRAM單元包括1T-1MTJ、2T-2MTJ和4T-2MTJ，其中1T-1MTJ由于面積小、集成度高，且MTJ的寫(xiě)速度和寫(xiě)功耗可以很好的滿足三級(jí)緩存的需求，可以用作傳統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)中的三級(jí)緩存。為了讓STT-MRAM更好的用于一級(jí)或者二級(jí)緩存，可以通過(guò)將MTJ嵌入到SRAM中形成NV-SRAM單元（非易失SRAM存儲(chǔ)單元）結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在正常模式下，擁有SRAM的讀寫(xiě)性能；在非易失模式下，能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MTJ中，實(shí)現(xiàn)非易失存儲(chǔ)。